本病的典型病理變化在神經系統，主要在神經細胞內而以脊髓的腰膨大和頸膨大處最易受損因此，以上、下肢癱瘓多見，尤以下肢更為多發；其次為腦干處病變居第2位。其主要病理變化如下：
1.腦脊膜明顯充血有炎癥細胞浸潤，其中以淋巴細胞及單核細胞為主病理改變一般與神經組織變化相平行。但有的病例脊髓變化更為嚴重而腦脊膜變化卻很輕。本病患者早期可有枕頸部疼痛及僵硬感，此主要是由于腦脊膜遭受炎性刺激出現反應性改變所致。
2.脊髓組織
(1)神經細胞：脊髓前角運動神經細胞病變最嚴重，與此同時后角及側角神經細胞亦可受累但甚輕微。此時神經細胞顯示不同程度的退行性變從病變早期的神經細胞腫脹、尼氏小體減少到以后尼氏小體溶解消失及胞核濃縮等，呈現為延續性進程。此時如病變停止發展上述病理改變可逐漸恢復反之如病變繼續發展神經細胞結構則變得模糊胞核消失此時中性多形核粒細胞及大單核細胞侵入，神經細胞被逐漸吞噬。病變發展到此時，已呈不可逆轉性狀態由于病毒的直接作用可致使神經細胞較快死亡
(2)血管：脊髓處的血管多呈擴張充血狀并可發生出血，尤其是軟脊膜上的血管網。血管周圍有細胞浸潤，其中以淋巴細胞為主。血管內皮細胞有顯著腫脹。血管變化與神經細胞病變的嚴重程度并非一定平行發展有時血管病變顯著而神經細胞變化卻較輕微。
(3)間質細胞：在脊髓神經間質中可見灶性細胞浸潤，以中性多形核粒細胞及小膠質細胞為主此種變化多見于急性期；病灶最后則形成瘢痕這顯然是膠質細胞增生的結果。
以上為急性期變化后期則為脊髓萎縮神經細胞消失并為星形膠質細胞及膠質瘢痕所代替。亦可因神經組織的軟化而殘留大小不等的囊腔。
神經細胞受損害的程度并非均等其間尚可有正常的神經細胞病灶的散在多發性為本病的特點由于這種緣故在臨床上可以發現若干肌群雖受同一脊神經支的支配而其受侵犯的程度卻不相同，麻痹的分布區亦不一致。事實上病理變化程度遠比臨床癥狀表現的范圍要大。此乃由于破壞分散的神經元并不一定都顯示功能喪失只有當病變集中在所支配的一組肌肉神經處時才顯示臨床癥狀。一般認為，至少50%以上的神經元受侵犯時才出現癱瘓。
3.肌肉受累神經支配區的肌肉顯示萎縮肌纖維細小失去彈性。與此同時脂肪和結締組織表現出增生征，以致肌組織的生理功能受損。
4.其他變化 全身其他組織及器官亦可出現相應的改變包括：心臟的局限性心肌炎、心肌變性及間質水腫并可有細胞浸潤；肝臟亦可有肝細胞的混濁與腫脹，并有局灶性壞死；此外亦可發現全身淋巴結增生等改變。
視脊髓前角運動神經細胞受侵襲的部位范圍及程度不同造成支配區肌肉組織的麻痹程度及范圍亦不相等表現為暫時性或持久性功能障礙以致肌力減退、肌肉萎縮并繼發關節畸形這些變化并非本病的必然結局，如治療及時，大多可以防止其發展；或可通過有效的治療措施使其痊愈或好轉。